不锈钢表面条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响

第36卷第10期 北京科技大学学报 Vol.36 No.10 2014年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2014 不锈钢表面条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响 陈 平四，李云龙”，邵天敏 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)清华大学摩擦学国家重点实验室，北京100084 ☒通信作者，E-mail:chenp@usth.cdu.cn 摘要利用电加工的方法在不锈钢表面分别制备了垂直织构和倾斜织构两种条纹织构试样，利用UT-3摩擦磨损仪研究 了具有不同倾斜角表面织构试样的摩擦性能，考察了在干摩擦和油润滑条件下摩擦接触副在织构区摩擦系数的变化情况，分 析了条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响.结果表明，钢球在织构表面区域滑动过程中，摩擦系数经历了一个先降低后增高的 过程，即织构的存在导致了摩擦系数的波动.与垂直织构相比，顿斜织构会导致更明显的摩擦系数波动，且波动幅度与织构倾 斜方向有关。当摩擦方向与织构倾斜方向相同时，摩擦系数的变化幅度较反方向更大 关键词不锈钢：织构；摩擦性能：润滑 分类号TH117.1 Influence of the incline angle of striated surface textures on the friction behavior of stainless steel CHEN Ping'》,IYun-4ong》,SHAO Tian-min2》 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Lab of Tribology,Tsinghua University,Beijing 100084,China Corresponding author,E-mail:chenp@ustb.edu.cn ABSTRACT Striated surface textures with different incline angles were manufactured on stainless steel surfaces by electrical machi- ning.The tribological properties of two different texture samples were tested with a tribometer (UMT-3).The friction coefficient of the friction pairs was investigated under dry friction and oil lubrication conditions.The influence of the incline angle of striated surface tex- tures on the friction behavior was analyzed.It is found that the friction coefficient experiences a process of first decrease and then in- crease when the ball sliding on the textured surfaces,that is,the existence of striated surface textures leads to friction coefficient fluctu- ation.Compared with the vertical striated surface texture,the incline striated surface texture results in obvious friction coefficient fluc- tuation,and the fluctuation amplitude relates to the textural incline direction.When the direction of friction is the same as the textural incline direction,the fluctuation amplitude is greater than that in the opposite direction. KEY WORDS stainless steel:textures:friction behavior;lubrication 表面形貌不仅直接影响零件的摩擦性能，而且于摩擦副的磨合：Zum等研究网状沟槽和微凹坑 对机械系统的整体工作性能、服役寿命、振动与噪声 的摩擦性能，结果表明网状沟槽具有更大的摩擦系 有很大影响.大量研究证明·-回，摩擦副表面并非 数和更小的油膜厚度.这些研究使表面织构技术在 越光滑越好，通过设计合适的表面几何造型（表面 理论研究和工程应用中取得了很大进展，并己成功 织构)使零件具有一定的表面形貌反而可以改善摩 地应用于止推轴承网、机械密封回、发动机缸套一活 擦副的摩擦学特性.例如，Shen等研究指出球冠 塞环o、计算机硬盘、金属成型等工程应用 形织构面积比越大减摩效果越明显：Lⅵ等时研究表 场合 明织构化表面不但可以改善动压润滑效果，还有利 近年来，对微织构表面的摩擦性能研究主要集 收稿日期：201403一12 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.006:http:/journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 10 期 2014 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 10 Oct． 2014 不锈钢表面条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响 陈 平1) ，李云龙1) ，邵天敏2) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 清华大学摩擦学国家重点实验室，北京 100084  通信作者，E-mail: chenp@ ustb． edu． cn 摘 要 利用电加工的方法在不锈钢表面分别制备了垂直织构和倾斜织构两种条纹织构试样，利用 UMT--3 摩擦磨损仪研究 了具有不同倾斜角表面织构试样的摩擦性能，考察了在干摩擦和油润滑条件下摩擦接触副在织构区摩擦系数的变化情况，分 析了条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响． 结果表明，钢球在织构表面区域滑动过程中，摩擦系数经历了一个先降低后增高的 过程，即织构的存在导致了摩擦系数的波动． 与垂直织构相比，倾斜织构会导致更明显的摩擦系数波动，且波动幅度与织构倾 斜方向有关． 当摩擦方向与织构倾斜方向相同时，摩擦系数的变化幅度较反方向更大． 关键词 不锈钢; 织构; 摩擦性能; 润滑 分类号 TH 117. 1 Influence of the incline angle of striated surface textures on the friction behavior of stainless steel CHEN Ping1)  ，LI Yun-long 1) ，SHAO Tian-min2) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Lab of Tribology，Tsinghua University，Beijing 100084，China  Corresponding author，E-mail: chenp@ ustb． edu． cn ABSTＲACT Striated surface textures with different incline angles were manufactured on stainless steel surfaces by electrical machi￾ning． The tribological properties of two different texture samples were tested with a tribometer ( UMT-3) ． The friction coefficient of the friction pairs was investigated under dry friction and oil lubrication conditions． The influence of the incline angle of striated surface tex￾tures on the friction behavior was analyzed． It is found that the friction coefficient experiences a process of first decrease and then in￾crease when the ball sliding on the textured surfaces，that is，the existence of striated surface textures leads to friction coefficient fluctu￾ation． Compared with the vertical striated surface texture，the incline striated surface texture results in obvious friction coefficient fluc￾tuation，and the fluctuation amplitude relates to the textural incline direction． When the direction of friction is the same as the textural incline direction，the fluctuation amplitude is greater than that in the opposite direction． KEY WOＲDS stainless steel; textures; friction behavior; lubrication 收稿日期: 2014--03--12 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 10． 006; http: / /journals． ustb． edu． cn 表面形貌不仅直接影响零件的摩擦性能，而且 对机械系统的整体工作性能、服役寿命、振动与噪声 有很大影响． 大量研究证明［1 － 12］，摩擦副表面并非 越光滑越好，通过设计合适的表面几何造型( 表面 织构) 使零件具有一定的表面形貌反而可以改善摩 擦副的摩擦学特性． 例如，Shen 等［4］研究指出球冠 形织构面积比越大减摩效果越明显; Li 等［5］研究表 明织构化表面不但可以改善动压润滑效果，还有利 于摩擦副的磨合; Zum 等［6］研究网状沟槽和微凹坑 的摩擦性能，结果表明网状沟槽具有更大的摩擦系 数和更小的油膜厚度． 这些研究使表面织构技术在 理论研究和工程应用中取得了很大进展，并已成功 地应用于止推轴承［8］、机械密封［9］、发动机缸套--活 塞环［10］、计算机硬盘［11］、金属成型等［12］工程应用 场合． 近年来，对微织构表面的摩擦性能研究主要集

·1316 北京科技大学学报 第36卷 中于面面接触，而在点、线接触摩擦副方面开展的实 宏观模拟微观，为微观织构的进一步探索和研究 验研究和理论分析相对较少s-刀.Mourier等指 提供参考依据. 出，微织构的几何尺寸和滚滑比能够改变压力分布， 从而控制润滑油的承载力：王文中等研究表明， 1实验 大小和深度适当的圆柱形微坑阵列可以改善点接触 1.1试验材料及表面织构的设计 摩擦副的润滑摩擦性能，降低摩擦系数.王正国 上试样为直径6mm的钢球，材料为轴承钢，硬 等6开展了沟槽型表面织构对摩擦振动噪声特性 度为HRC58~65.下试样选取尺寸为中24.0mm× 的影响，研究表明尺寸分布合理的沟槽织构能打 7.88mm的1Crl8Ni9Ti不锈钢材料，硬度为HV279~ 断摩擦界面连续的接触，扰乱摩擦系统的自激振 306,表面粗糙度R.为0.3μm,用电加工方法分别在 动，从而抑制摩擦噪声的形成.从微观角度而言， 其表面加工出图1(a)和(b)两种条纹表面织构：织 任何接触类型的摩擦副都是由微观的点接触组成 构平均宽度为0.2mm,平均深度为1.0mm,织构平 的.表面织构对点接触摩擦副摩擦性能的影响机 均间距为2.0mm(织构面积率约10%，在一个滑动 理非常复杂，不仅与本身的形状特征参数有关，还 周期内（单次单向滑动）有五个沟槽).其中，图1 与工况条件密切相关，其内在机理还有待进一步 (a)为垂直条纹织构，即织构深度方向与表面呈90° 深入研究.本文主要针对沟槽型条纹表面织构的 夹角；图1(b)为倾斜45°条纹织构，即织构深度方 倾斜角对点接触摩擦性能的影响开展实验，通过 向与表面呈45°夹角. 90 (b) 图1条纹表面织构（单位：mm).(a)垂直织构：(b)领斜织构 Fig.I Geometry of striated surface textures (unit:mm):(a)vertical surface texture:(b)incline surface texture 1.2摩擦实验 2 结果与讨论 实验前，上下试样依次在丙酮和无水乙醇中各 超声清洗l0min,用吹风机吹干.利用UMT-3摩擦 2.1实验结果 磨损仪对条纹表面织构试样分别在干摩擦和油润滑 当载荷一定(P=10N)、相对滑动速度范围为 (纯液体石蜡)条件下进行摩擦实验.其他实验条 0.2~3.8mms时，试样在干摩擦和油润滑条件下 件：室温：载荷一定时(P=10N),上下试样相对滑 摩擦系数随滑动距离S变化曲线如图2所示.由图 动速度设定为0.2~3.8mm·s1:滑动速度一定时 2可以看出：摩擦接触副在条纹表面织构区域的摩 (v=1.0mms-1),载荷设定为1~15N;滑动方式为 擦系数出现五个明显的波动，正好对应于钢球在滑 单方向直线单次滑动，滑动距离20mm;摩擦方向垂 动位移内滑过的条纹沟槽数.当钢球滑过沟槽时， 直于条纹织构方向.钢球从下试样的一侧滑入，从 摩擦系数经历先降低再增大的过程.干摩擦条件下 另一侧滑出.其中，相对于图1(b)中所示倾斜条纹 (图2(a)、(c)和(e),随着速度的增加，垂直和右 织构试样，钢球的运动方向有两种：一种是钢球运动 倾条纹织构的摩擦系数平均值基本保持稳定，而左 方向与织构倾斜方向一致；另一种是钢球运动方向 倾织构的摩擦系数略有上升：与钢球滑过垂直条纹 与织构倾斜方向相反.为便于描述，前者对应的倾 沟槽时摩擦系数的波动幅值相比，钢球滑过右倾条 斜条纹织构称为右倾条纹织构，后者对应为左倾条 纹沟槽时摩擦系数升高和降低的幅值均增大，而滑 纹织构 过左倾条纹沟槽时摩擦系数只有降低的幅值较为明

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 中于面面接触，而在点、线接触摩擦副方面开展的实 验研究和理论分析相对较少［13 － 17］． Mourier 等［13］指 出，微织构的几何尺寸和滚滑比能够改变压力分布， 从而控制润滑油的承载力; 王文中等［15］研究表明， 大小和深度适当的圆柱形微坑阵列可以改善点接触 摩擦副的润滑摩擦性能，降低摩擦系数． 王正国 等［16］开展了沟槽型表面织构对摩擦振动噪声特性 的影响，研究表明尺寸分布合理的沟槽织构能打 断摩擦界面连续的接触，扰乱摩擦系统的自激振 动，从而抑制摩擦噪声的形成． 从微观角度而言， 任何接触类型的摩擦副都是由微观的点接触组成 的． 表面织构对点接触摩擦副摩擦性能的影响机 理非常复杂，不仅与本身的形状特征参数有关，还 与工况条件密切相关，其内在机理还有待进一步 深入研究． 本文主要针对沟槽型条纹表面织构的 倾斜角对点接触摩擦性能的影响开展实验，通过 宏观模拟微观，为微观织构的进一步探索和研究 提供参考依据． 1 实验 1. 1 试验材料及表面织构的设计 上试样为直径 6 mm 的钢球，材料为轴承钢，硬 度为 HＲC 58 ～ 65． 下试样选取尺寸为 24. 0 mm × 7. 88 mm 的1Cr18Ni9Ti 不锈钢材料，硬度为 HV 279 ～ 306，表面粗糙度 Ｒa为 0. 3 μm，用电加工方法分别在 其表面加工出图 1( a) 和( b) 两种条纹表面织构: 织 构平均宽度为 0. 2 mm，平均深度为 1. 0 mm，织构平 均间距为 2. 0 mm ( 织构面积率约 10% ，在一个滑动 周期内( 单次单向滑动) 有五个沟槽) ． 其中，图 1 ( a) 为垂直条纹织构，即织构深度方向与表面呈 90° 夹角; 图 1( b) 为倾斜 45°条纹织构，即织构深度方 向与表面呈 45°夹角． 图 1 条纹表面织构( 单位: mm) ． ( a) 垂直织构; ( b) 倾斜织构 Fig． 1 Geometry of striated surface textures ( unit: mm) : ( a) vertical surface texture; ( b) incline surface texture 1. 2 摩擦实验 实验前，上下试样依次在丙酮和无水乙醇中各 超声清洗 10 min，用吹风机吹干． 利用 UMT--3 摩擦 磨损仪对条纹表面织构试样分别在干摩擦和油润滑 ( 纯液体石蜡) 条件下进行摩擦实验． 其他实验条 件: 室温; 载荷一定时( P = 10 N) ，上下试样相对滑 动速度设定为 0. 2 ～ 3. 8 mm·s － 1 ; 滑动速度一定时 ( v = 1. 0 mm·s － 1 ) ，载荷设定为 1 ～ 15 N; 滑动方式为 单方向直线单次滑动，滑动距离 20 mm; 摩擦方向垂 直于条纹织构方向． 钢球从下试样的一侧滑入，从 另一侧滑出． 其中，相对于图 1( b) 中所示倾斜条纹 织构试样，钢球的运动方向有两种: 一种是钢球运动 方向与织构倾斜方向一致; 另一种是钢球运动方向 与织构倾斜方向相反． 为便于描述，前者对应的倾 斜条纹织构称为右倾条纹织构，后者对应为左倾条 纹织构． 2 结果与讨论 2. 1 实验结果 当载荷一定( P = 10 N) 、相对滑动速度范围为 0. 2 ～ 3. 8 mm·s － 1时，试样在干摩擦和油润滑条件下 摩擦系数随滑动距离 S 变化曲线如图 2 所示． 由图 2 可以看出: 摩擦接触副在条纹表面织构区域的摩 擦系数出现五个明显的波动，正好对应于钢球在滑 动位移内滑过的条纹沟槽数． 当钢球滑过沟槽时， 摩擦系数经历先降低再增大的过程． 干摩擦条件下 ( 图 2( a) 、( c) 和( e) ) ，随着速度的增加，垂直和右 倾条纹织构的摩擦系数平均值基本保持稳定，而左 倾织构的摩擦系数略有上升; 与钢球滑过垂直条纹 沟槽时摩擦系数的波动幅值相比，钢球滑过右倾条 纹沟槽时摩擦系数升高和降低的幅值均增大，而滑 过左倾条纹沟槽时摩擦系数只有降低的幅值较为明 · 6131 ·

第10期 陈平等：不锈钢表面条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响 ·1317· 0.35 035间 0.30 0.30 0.25 0.25 0.20 0.20 1.5 0.15 0.10 0.10 0.0s0210611.01l4L.812.22.613.034138mms 0.050210.61.01.41.8221263.0343.8mms 滑动距离mm 潜动距离/mm L」20nm 0.35 d 0.30 0.25 0.25 0.20 0.20 0.1 0.15 0.10 0.10 0050.21061.014182.22.613013.43.8mmg 0.050.2061011.4182212630343.8mmg 滑动距离mm 」20mm 滑动距离/mm L」20mm 0.35m 0.35m 0.30 0.30 0.25 0.25 0.20 0.20 0.15 0.15 0.10 0.10 0050.20.610L41.822263.0343.8mmg 0.0s0.20.61.01.418222.63.0343.8mms 滑动距离mm 20mm 滑动距离mm L20mm 图2不同速度下摩擦系数历程曲线(P=10N,S=20mm).(a)垂直织构/干摩擦：(b)垂直织构/油润滑：(c)右倾织构/干摩擦：(d)右倾织 构/油润滑：()左倾织构/干摩擦：()左倾织构油润滑 Fig.2 Friction coefficient of the textured surfaces at different sliding speeds (P=10 N,S=20 mm):(a)vertical/dry friction:(b)vertical/oil lubrication:(c)incline rightward/dry friction:(d)incline rightward/oil lubrication:(e)incline leftward/dry friction:(f)incline leftward/oil lubri- cation 显.在油润滑条件下（图2(b)、(d)和(f)),三种条 数没有明显的增大（图3(a)和(b));右倾条纹织构 纹织构的最大摩擦系数随速度增大而呈下降趋势， 在干摩擦下的最大和最小摩擦系数逐渐增大，而在 与钢球滑过垂直条纹沟槽时摩擦系数的波动幅值相 油润滑下的最大摩擦系数呈减小趋势（图3(c)和 比，滑过右倾条纹沟槽摩擦系数升高的幅值和滑过 ()):左倾条纹织构在干摩擦下的最大摩擦系数变 左倾条纹沟槽的摩擦系数降低的幅值均增大. 化不明显，最小摩擦系数略微增大，而在油润滑下的 图3所示为滑动速度一定(v=1.0mm·s-),载 最大摩擦系数逐渐减小，且减小的幅度比右倾条纹 荷范围为1~15N时，试样在干摩擦和油润滑条件 织构的明显（图3(e)和(f)).但总体而言，无论是 下摩擦系数随滑动距离S变化的曲线.从图可知： 在油润滑条件下还是在干摩擦条件下，载荷对摩擦 随着载荷的增加，垂直条纹织构在干摩擦下摩擦系 系数的影响均不明显 数波动的幅值基本稳定，在油润滑下的最大摩擦系 图4比较了三种条纹表面织构在载荷P=10

第 10 期 陈 平等: 不锈钢表面条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响 图 2 不同速度下摩擦系数历程曲线( P = 10 N，S = 20 mm) ． ( a) 垂直织构/干摩擦; ( b) 垂直织构/油润滑; ( c) 右倾织构/干摩擦; ( d) 右倾织 构/油润滑; ( e) 左倾织构/干摩擦; ( f) 左倾织构/油润滑 Fig． 2 Friction coefficient of the textured surfaces at different sliding speeds ( P = 10 N，S = 20 mm) : ( a) vertical / dry friction; ( b) vertical /oil lubrication; ( c) incline rightward / dry friction; ( d) incline rightward /oil lubrication; ( e) incline leftward / dry friction; ( f) incline leftward /oil lubri￾cation 显． 在油润滑条件下( 图 2( b) 、( d) 和( f) ) ，三种条 纹织构的最大摩擦系数随速度增大而呈下降趋势， 与钢球滑过垂直条纹沟槽时摩擦系数的波动幅值相 比，滑过右倾条纹沟槽摩擦系数升高的幅值和滑过 左倾条纹沟槽的摩擦系数降低的幅值均增大． 图 3 所示为滑动速度一定( v = 1. 0 mm·s － 1 ) ，载 荷范围为 1 ～ 15 N 时，试样在干摩擦和油润滑条件 下摩擦系数随滑动距离 S 变化的曲线． 从图可知: 随着载荷的增加，垂直条纹织构在干摩擦下摩擦系 数波动的幅值基本稳定，在油润滑下的最大摩擦系 数没有明显的增大( 图 3( a) 和( b) ) ; 右倾条纹织构 在干摩擦下的最大和最小摩擦系数逐渐增大，而在 油润滑下的最大摩擦系数呈减小趋势( 图 3( c) 和 ( d) ) ; 左倾条纹织构在干摩擦下的最大摩擦系数变 化不明显，最小摩擦系数略微增大，而在油润滑下的 最大摩擦系数逐渐减小，且减小的幅度比右倾条纹 织构的明显( 图 3( e) 和( f) ) ． 但总体而言，无论是 在油润滑条件下还是在干摩擦条件下，载荷对摩擦 系数的影响均不明显． 图 4 比较了三种条纹表面织构在载荷 P = 10 · 7131 ·

·1318 北京科技大学学报 第36卷 0.35r 0.35r b 0.30 0.30 025 0.25 105 15⊥719111L1315N 0.05 517911111315N 滑动距离mm L20 mm 滑动距离/mm L20mm 035 0.35 (d) 0.30 0.30 0.25 0.25 0.2 0.20 0.15 0.15 ).10 0.10 79111315N, 0.05 0.05 9111315N 滑动距离/mmm 20mm 滑动距离/mm L120mm 035 0.35r1 ) 0.30 0.30 0.25 025 0.20 0.20 0.15 0.10 0.10 0.05 11315791111315N 0.05 1L3L51719L11L1315N 滑动距离mm L120 mm 滑动距离/m L」20mm 图3不同我荷下摩擦系数历程曲线(o=1.0mms1,S=20mm).(a)垂直织构/干摩擦：(b)垂直织构/油润滑：(c)右倾织构/干摩擦：(d) 右颜织构/油润滑：()左倾织构/干摩擦：()左倾织构/油润滑 Fig.3 Friction coefficient of the textured surfaces under different loads (v=1.0 mm's-1,S=20 mm):(a)vertical/dry friction:(b)vertical/oil lubrication:(c)incline rightward/dry friction:(d)incline rightward/oil lubrication:(e)incline leftward/dry friction:(f)incline leftward/oil lubri- cation N、v=1.8mms1工况下的摩擦系数变化曲线.从 最小摩擦系数小于垂直条纹织构和左倾条纹织构的 图4可以看出：在干摩擦和油润滑下，钢球滑过三种 最小摩擦系数，即右倾条纹织构的摩擦系数波动最 条纹织构的摩擦系数曲线均呈现出先降低后升高的 大.在油润滑下（图4(b)),左倾条纹织构的最大和 波动规律，钢球离开织构后，摩擦系数恢复为较稳定 最小摩擦系数均小于右倾条纹织构的最大和最小摩 状态：垂直条纹织构和右倾条纹织构的摩擦系数升 擦系数；三条摩擦系数曲线在初始阶段(0~5mm), 高的幅值比降低的幅值大，而左倾条纹织构的摩擦 摩擦系数均随滑动距离的增加从0.18左右逐渐降 系数降低的幅值比升高的幅值大.在干摩擦条件下 低至0.15左右. (图4(a)),右倾条纹织构的最大摩擦系数大于垂 2.2分析与讨论 直条纹织构和左倾条纹织构的最大摩擦系数，且其 摩擦接触副在经过沟槽条纹表面织构时的摩擦

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 3 不同载荷下摩擦系数历程曲线( v = 1. 0 mm·s － 1，S = 20 mm) ． ( a) 垂直织构/干摩擦; ( b) 垂直织构/油润滑; ( c) 右倾织构/干摩擦; ( d) 右倾织构/油润滑; ( e) 左倾织构/干摩擦; ( f) 左倾织构/油润滑 Fig． 3 Friction coefficient of the textured surfaces under different loads ( v = 1. 0 mm·s － 1，S = 20 mm) : ( a) vertical / dry friction; ( b) vertical /oil lubrication; ( c) incline rightward / dry friction; ( d) incline rightward /oil lubrication; ( e) incline leftward / dry friction; ( f) incline leftward /oil lubri￾cation N、v = 1. 8 mm·s － 1工况下的摩擦系数变化曲线． 从 图 4 可以看出: 在干摩擦和油润滑下，钢球滑过三种 条纹织构的摩擦系数曲线均呈现出先降低后升高的 波动规律，钢球离开织构后，摩擦系数恢复为较稳定 状态; 垂直条纹织构和右倾条纹织构的摩擦系数升 高的幅值比降低的幅值大，而左倾条纹织构的摩擦 系数降低的幅值比升高的幅值大． 在干摩擦条件下 ( 图 4( a) ) ，右倾条纹织构的最大摩擦系数大于垂 直条纹织构和左倾条纹织构的最大摩擦系数，且其 最小摩擦系数小于垂直条纹织构和左倾条纹织构的 最小摩擦系数，即右倾条纹织构的摩擦系数波动最 大． 在油润滑下( 图 4( b) ) ，左倾条纹织构的最大和 最小摩擦系数均小于右倾条纹织构的最大和最小摩 擦系数; 三条摩擦系数曲线在初始阶段( 0 ～ 5 mm) ， 摩擦系数均随滑动距离的增加从 0. 18 左右逐渐降 低至 0. 15 左右． 2. 2 分析与讨论 摩擦接触副在经过沟槽条纹表面织构时的摩擦 · 8131 ·

第10期 陈平等：不锈钢表面条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响 ·1319· 0.35 0.35r 0.30 0.30 垂直织构 左倾织构 垂直织构 025 右顿织构 0.25 左倾织构 0.20 0.20 0.15 0.5 010 0.10 右倾织构 0.05 0.05 0 4 68101214161820 0 68101214161820 滑动距离/mm 滑动距离/mm 图4三种表面织构摩擦系数对比(P=10N,r=L.8mmsl).(a)干摩擦：(b)油润滑 Fig.4 Comparison between the friction coefficients of three textured surfaces (P=10N,=1.8 mm's-1):(a)dry friction:(b)oil lubrication 系数经历了先降低再升高的过程，即沟槽条纹织构 织构的变形量较大，从而使摩擦力表现出相对垂直 的存在导致了摩擦系数的波动.从宏观的条纹沟槽 织构较明显的下降趋势：C点为钢球接触织构两侧， 轮廓效应分析，钢球滑过沟槽时碰撞沟槽棱角导致 两侧所产生的反力，由于C点两侧的不对称，则沿 摩擦界面摩擦力明显的波动：从微观角度而言，摩擦 着水平两个相反方向的分力不相等，导致摩擦力略 接触副表面是无数微凸体的集合，摩擦过程实际上 高于无织构区域的摩擦力：D点为钢球脱离织构的 是接触两表面的微凸体相互挤压和搓动的过程，因 一侧与织构的另一侧接触时，织构的变形对钢球产 此对偶面的交替接触使得摩擦系数呈现出较大的波 生了一个逆着钢球运动方向的力，但由于还存在织 动性，另外，摩擦系数实际上反映的是切向运动 构对钢球的刮擦作用，因此摩擦力表现出更大幅度 阻力和法向载荷的比值，因此本文中的摩擦系数被 的上升趋势 动应该也包含织构区可能出现的法向载荷的波动. 对于左倾条纹织构（图5(c)),B点为钢球刚刚 上述载荷波动主要是原始的法向载荷在钢球通过织 接触织构时，织构一侧的变形对钢球产生了一个沿 构区时由于接触条件发生变化而导致的 着钢球运动方向的力，且由于织构的一侧受力弯曲 2.2.1织构倾斜角对摩擦性能的影响 的作用，使织构的变形量更大，使摩擦力表现出更明 对于垂直条纹织构（图5(a)),A点所示的状态 显的下降趋势：C点为钢球接触织构两侧，与右倾条 表明织构还没有对钢球所受的摩擦力产生影响：B 纹织构一样，由于C点两侧的不对称，导致摩擦力 点为钢球刚刚接触织构时，织构一侧的变形对钢球 略高于无织构区域的摩擦力；D点为钢球脱离织构 产生了一个沿着钢球运动方向的力，使摩擦力表现 的一侧，而只与织构的另一侧接触时，织构的变形对 出下降的趋势；C点为钢球接触织构两侧，若不考虑 钢球产生了一个逆着钢球运动方向的力，且由于织 冲击，则两侧所产生的反力沿着水平方向的分力相 构部分受力作用弯曲，使织构的变形量更大，但弯曲 等，方向相反，摩擦力恢复至与无织构区域相同：D 的部分减弱了织构对钢球的刮擦作用，使摩擦力表 点为钢球脱离织构的一侧，而只与织构的另一侧接 现出上升的趋势，因而作用并不如右倾条纹织构 触时，织构的变形对钢球产生了一个逆着钢球运动 明显 方向的力，且织构对钢球产生刮擦作用，使摩擦力表 2.2.2速度和载荷对摩擦性能的影响 现出上升趋势；E点为钢球远离织构时，织构不再对 速度的变化对不同条纹织构在干摩擦下摩擦系 钢球的运动产生影响，摩擦力恢复为稳定状态.同 数的影响并不明显（图2(a)、(c)和(e),可能是由 理，右倾条纹织构和左倾条纹织构的A点所示的状 于速度的变化量对织构的变形量影响不大，从而不 态为织构还没有对钢球的摩擦力产生影响：E点为 能显著地影响摩擦力和摩擦系数的变化.在油润滑 钢球远离织构时，织构不再对钢球的运动产生影响， 下，条纹表面织构最大摩擦系数随速度的增加而降 摩擦力恢复为稳定状态 低（图2(b)、(d)和(f)),可归因于速度的增加促进 对于右倾条纹织构（图5(b)),B点为钢球刚刚 了织构区域润滑油膜的形成，改善了润滑状态，且倾 接触织构时，织构的变形对钢球产生了一个沿着钢 斜条纹织构放大了这种促进作用，从而使倾斜条纹 球运动方向的力，且由于织构部分受力作用弯曲，使 织构的最大摩擦系数降低的幅度比垂直条纹织构的

第 10 期 陈 平等: 不锈钢表面条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响 图 4 三种表面织构摩擦系数对比( P = 10 N，v = 1. 8 mm·s － 1 ) ． ( a) 干摩擦; ( b) 油润滑 Fig． 4 Comparison between the friction coefficients of three textured surfaces ( P = 10 N，v = 1. 8 mm·s － 1 ) : ( a) dry friction; ( b) oil lubrication 系数经历了先降低再升高的过程，即沟槽条纹织构 的存在导致了摩擦系数的波动． 从宏观的条纹沟槽 轮廓效应分析，钢球滑过沟槽时碰撞沟槽棱角导致 摩擦界面摩擦力明显的波动; 从微观角度而言，摩擦 接触副表面是无数微凸体的集合，摩擦过程实际上 是接触两表面的微凸体相互挤压和搓动的过程，因 此对偶面的交替接触使得摩擦系数呈现出较大的波 动性［16］． 另外，摩擦系数实际上反映的是切向运动 阻力和法向载荷的比值，因此本文中的摩擦系数波 动应该也包含织构区可能出现的法向载荷的波动． 上述载荷波动主要是原始的法向载荷在钢球通过织 构区时由于接触条件发生变化而导致的． 2. 2. 1 织构倾斜角对摩擦性能的影响 对于垂直条纹织构( 图 5( a) ) ，A 点所示的状态 表明织构还没有对钢球所受的摩擦力产生影响; B 点为钢球刚刚接触织构时，织构一侧的变形对钢球 产生了一个沿着钢球运动方向的力，使摩擦力表现 出下降的趋势; C 点为钢球接触织构两侧，若不考虑 冲击，则两侧所产生的反力沿着水平方向的分力相 等，方向相反，摩擦力恢复至与无织构区域相同; D 点为钢球脱离织构的一侧，而只与织构的另一侧接 触时，织构的变形对钢球产生了一个逆着钢球运动 方向的力，且织构对钢球产生刮擦作用，使摩擦力表 现出上升趋势; E 点为钢球远离织构时，织构不再对 钢球的运动产生影响，摩擦力恢复为稳定状态． 同 理，右倾条纹织构和左倾条纹织构的 A 点所示的状 态为织构还没有对钢球的摩擦力产生影响; E 点为 钢球远离织构时，织构不再对钢球的运动产生影响， 摩擦力恢复为稳定状态． 对于右倾条纹织构( 图 5( b) ) ，B 点为钢球刚刚 接触织构时，织构的变形对钢球产生了一个沿着钢 球运动方向的力，且由于织构部分受力作用弯曲，使 织构的变形量较大，从而使摩擦力表现出相对垂直 织构较明显的下降趋势; C 点为钢球接触织构两侧， 两侧所产生的反力，由于 C 点两侧的不对称，则沿 着水平两个相反方向的分力不相等，导致摩擦力略 高于无织构区域的摩擦力; D 点为钢球脱离织构的 一侧与织构的另一侧接触时，织构的变形对钢球产 生了一个逆着钢球运动方向的力，但由于还存在织 构对钢球的刮擦作用，因此摩擦力表现出更大幅度 的上升趋势． 对于左倾条纹织构( 图 5( c) ) ，B 点为钢球刚刚 接触织构时，织构一侧的变形对钢球产生了一个沿 着钢球运动方向的力，且由于织构的一侧受力弯曲 的作用，使织构的变形量更大，使摩擦力表现出更明 显的下降趋势; C 点为钢球接触织构两侧，与右倾条 纹织构一样，由于 C 点两侧的不对称，导致摩擦力 略高于无织构区域的摩擦力; D 点为钢球脱离织构 的一侧，而只与织构的另一侧接触时，织构的变形对 钢球产生了一个逆着钢球运动方向的力，且由于织 构部分受力作用弯曲，使织构的变形量更大，但弯曲 的部分减弱了织构对钢球的刮擦作用，使摩擦力表 现出上升的趋势，因而作用并不如右倾条纹织构 明显． 2. 2. 2 速度和载荷对摩擦性能的影响 速度的变化对不同条纹织构在干摩擦下摩擦系 数的影响并不明显( 图 2( a) 、( c) 和( e) ) ，可能是由 于速度的变化量对织构的变形量影响不大，从而不 能显著地影响摩擦力和摩擦系数的变化． 在油润滑 下，条纹表面织构最大摩擦系数随速度的增加而降 低( 图 2( b) 、( d) 和( f) ) ，可归因于速度的增加促进 了织构区域润滑油膜的形成，改善了润滑状态，且倾 斜条纹织构放大了这种促进作用，从而使倾斜条纹 织构的最大摩擦系数降低的幅度比垂直条纹织构的 · 9131 ·

·1320· 北京科技大学学报 第36卷 E 滑动距离/mm 滑动距离mm 滑动距离m 、62 图5钢球在织构表面滑动过程中的受力分析.，(a)垂直织构：(b)右倾织构：()左倾织构 Fig.5 Stress analysis of the ball in the sliding process on the textured surfaces:(a)vertical:(b)incline rightward;(c)incline leftward 更加明显.在油润滑下摩擦初始阶段摩擦系数均随 的补给综合作用使摩擦系数曲线的提高部分逐渐降 距离的增加逐渐降低（图4(b),是由于织构存储 低.左倾表面织构在干摩擦下，由于织构一端弯曲 的润滑油改善了织构周围的润滑状态，从而使钢球 而使变形量更大（图5(c),但弯曲的部分减弱了 在逐渐靠近织构的过程中摩擦系数逐渐降低.然 织构对钢球的刮擦作用，从而使最大摩擦系数随载 而，从摩擦系数的数值来看，在油润滑条件下，虽然 荷变化并不明显，而在油润滑下排出了更多的润滑 随速度的增加摩擦系数有所降低，但摩擦系数仍然 油补给到接触表面，改善了摩擦副的润滑状态，从而 维持在较高的数值，润滑状态还是在混合润滑的 使摩擦系数曲线的提高部分逐渐降低，且降低的幅 范围. 度比右倾表面织构更加明显. 随着载荷的增加，垂直条纹织构的变形量并没 3结论 有明显的增加，从而没有明显地影响摩擦系数的变 化.右倾条纹织构在干摩擦下最大摩擦系数随载荷 (1)条纹沟槽表面织构导致摩擦系数波动，波 的增加逐渐升高，是由于织构一端弯曲的变形量更 动幅度与织构倾斜方向有关，与垂直织构相比，倾斜 大（图5(b)),使织构对钢球的刮擦作用更加明显， 织构导致摩擦系数波动更明显，当摩擦方向与织构 从而较明显地增大了摩擦系数，而在油润滑下更大 倾斜方向相同时，摩擦系数的变化幅度较反方向 的变形量一方面增加了织构对钢球的刮擦作用，另 更大. 一方面排出了更多的润滑油补给到接触表面，改善 (2)本文所研究的垂直条纹织构和左倾条纹织 了摩擦副的润滑状态，织构对钢球的刮擦和润滑油 构，无论是在干摩擦和油润滑条件下，载荷对摩擦系

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 5 钢球在织构表面滑动过程中的受力分析． ( a) 垂直织构; ( b) 右倾织构; ( c) 左倾织构 Fig． 5 Stress analysis of the ball in the sliding process on the textured surfaces: ( a) vertical; ( b) incline rightward; ( c) incline leftward 更加明显． 在油润滑下摩擦初始阶段摩擦系数均随 距离的增加逐渐降低( 图 4( b) ) ，是由于织构存储 的润滑油改善了织构周围的润滑状态，从而使钢球 在逐渐靠近织构的过程中摩擦系数逐渐降低． 然 而，从摩擦系数的数值来看，在油润滑条件下，虽然 随速度的增加摩擦系数有所降低，但摩擦系数仍然 维持在较高的数值，润滑状态还是在混合润滑的 范围． 随着载荷的增加，垂直条纹织构的变形量并没 有明显的增加，从而没有明显地影响摩擦系数的变 化． 右倾条纹织构在干摩擦下最大摩擦系数随载荷 的增加逐渐升高，是由于织构一端弯曲的变形量更 大( 图 5( b) ) ，使织构对钢球的刮擦作用更加明显， 从而较明显地增大了摩擦系数，而在油润滑下更大 的变形量一方面增加了织构对钢球的刮擦作用，另 一方面排出了更多的润滑油补给到接触表面，改善 了摩擦副的润滑状态，织构对钢球的刮擦和润滑油 的补给综合作用使摩擦系数曲线的提高部分逐渐降 低． 左倾表面织构在干摩擦下，由于织构一端弯曲 而使变形量更大( 图 5 ( c) ) ，但弯曲的部分减弱了 织构对钢球的刮擦作用，从而使最大摩擦系数随载 荷变化并不明显，而在油润滑下排出了更多的润滑 油补给到接触表面，改善了摩擦副的润滑状态，从而 使摩擦系数曲线的提高部分逐渐降低，且降低的幅 度比右倾表面织构更加明显． 3 结论 ( 1) 条纹沟槽表面织构导致摩擦系数波动，波 动幅度与织构倾斜方向有关，与垂直织构相比，倾斜 织构导致摩擦系数波动更明显，当摩擦方向与织构 倾斜方向相同时，摩擦系数的变化幅度较反方向 更大． ( 2) 本文所研究的垂直条纹织构和左倾条纹织 构，无论是在干摩擦和油润滑条件下，载荷对摩擦系 · 0231 ·

第10期 陈平等：不锈钢表面条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响 ·1321· 数均无明显影响.在干摩擦条件下，随滑动速度增 (华希俊，刘明，杜志华，等.织构化表面固体润滑性能试验 大，摩擦系数呈现增大的趋势：而在油润滑条件下， 江苏大学学报：自然科学版，2014,35(1)：92) [8]Brizmer V,Kligerman Y,Etsion I.A laser surface textured paral- 摩擦系数均随滑动速度增大而降低， lel thrust bearing.Tribol Trans,2003,46(3):397 (3)沟槽条纹织构的倾斜是否有利于改善摩擦 9]Shinkarenko A,Kligerman Y,Etsion I.The effect of surface tex- 接触界面的摩擦磨损行为以及最优倾斜角度的确定 turing in soft elasto-hydrodynamic lubrication.Tribol Int,2009,42 还需进一步深入研究. (2):284 [10]Grabon W,Koszela W,Pawlus P,et al.Improving tribological behaviour of piston ring-ylinder liner frictional pair by liner sur- 参考文献 face texturing.Tribol Int,2013,61 (2):102 Etsion I,Sher E.Improving fuel efficiency with laser surface tex- [11]Tan A H,Cheng S W.A novel textured design for hard disk tri- tured piston rings.Tribol Int,2009,42:542 bology improvement.Tribol Int,2006,39(6):506 Han ZL,Wang J D.Chen D R.Drag reduction by dimples on 12]Pfestorf M,Engel U,Geiger M.Three-dimensional characteriza- surfaces in plane-plane contact lubrication.Tribology,2009,29 tion of surfaces for sheet metal forming.Wear,1998,216(2): (1):10 244 (韩中领，汪家道，陈大融.凹坑表面形貌在面接触润滑状态 [13]Mourier L,Mazuyer D,Ninove F P.Lubrication mechanisms 下的减阻研究.摩擦学学报，2009,29(1)：10) with laser-surface-extured surfaces in elastohydrodynamic re- B]Zhou J.Shao T M.Influence of synergistic effect of Cu particles gime.Proc Inst Mech Eng Part J,2010,224(8):697 and striated surface texture on tribological properties.China Surf 4] Kovalchenko A.Ajayi O,Erdemir A,et al.Friction and wear Eng,2009,22(4):20 behavior of laser textured surface under lubricated initial point (周吉，邵天敏.C颗粒和条纹表面织构的协同作用对摩擦 contact..Wear,2011,271(9H0):1719. 副摩擦磨损性能的影响.中国表面工程，2009,22(4)：20) [15]Wang WZ,Huang Z X,Shen D,et al.Effect of the patterned 4]Shen D,Wang WZ,Kong I J.Effect of surface texturing on lubri- cylindrical dimple array on the tribological performance of lubri- cation performance of ball-on-dise point contacts.Tribology, cated point-contacts.Tribology,2012,32(4):371 2012,32(6):570 (王文中，黄志祥，沈殿，等圆柱形表面微坑阵列对点接触 (沈殿，王文中，孔凌嘉.表面微织构对球盘点接触润滑摩擦 润滑摩擦性能的影响.摩擦学学报，2012,32(4)：371) 性能的影响.摩擦学学报，2012,32(6)：570) [16]Wang Z G,Mo J L,Wang A Y,et al.Effect of grooved surface [5]Li J,Zhou F,Wang X.Modify the friction between steel ball and texture on interface friction vibration and noise properties.Vib PDMS disk under water lubrication by surface texturing.Meccani- Shok,2013,32(23):175 ca,2011,46(3):499 (王正国，莫继良，王安宇，等。沟槽型表面织构对界面摩擦 [6]Zum Gahr K H,Wahl R,Wauthier K.Experimental study of the 振动噪声特性的影响.振动与冲击，2013,32(23)：175) effect of microtexturing on oil lubricated ceramic/steel friction [17]Hua X J,Chen M Y,Fu Y H,et al.Hydrodynamic lubrication pairs.Wer,2009,267(58):1241 performance of textured surface under linear contact.Lubr Eng, Hua X J,Liu M,Du Z H,et al.Property experiments of solid lu- 2013,38(1):1 brication of laser texturing surface.Jiangsu Uni Nat Sci Ed, (华希俊，陈美云，符永宏，等。线接触摩擦副织构化表面动 2014,35(1):92 压润滑性能.润滑与密封，2013,38(1)：1)

第 10 期 陈 平等: 不锈钢表面条纹织构倾斜角对摩擦性能的影响 数均无明显影响． 在干摩擦条件下，随滑动速度增 大，摩擦系数呈现增大的趋势; 而在油润滑条件下， 摩擦系数均随滑动速度增大而降低． ( 3) 沟槽条纹织构的倾斜是否有利于改善摩擦 接触界面的摩擦磨损行为以及最优倾斜角度的确定 还需进一步深入研究． 参 考 文 献 ［1］ Etsion I，Sher E． Improving fuel efficiency with laser surface tex￾tured piston rings． Tribol Int，2009，42: 542 ［2］ Han Z L，Wang J D，Chen D Ｒ． Drag reduction by dimples on surfaces in plane-plane contact lubrication． Tribology，2009，29 ( 1) : 10 ( 韩中领，汪家道，陈大融． 凹坑表面形貌在面接触润滑状态 下的减阻研究． 摩擦学学报，2009，29( 1) : 10) ［3］ Zhou J，Shao T M． Influence of synergistic effect of Cu particles and striated surface texture on tribological properties． China Surf Eng，2009，22( 4) : 20 ( 周吉，邵天敏． Cu 颗粒和条纹表面织构的协同作用对摩擦 副摩擦磨损性能的影响． 中国表面工程，2009，22( 4) : 20) ［4］ Shen D，Wang W Z，Kong I J． Effect of surface texturing on lubri￾cation performance of ball-on-disc point contacts． Tribology， 2012，32( 6) : 570 ( 沈殿，王文中，孔凌嘉． 表面微织构对球盘点接触润滑摩擦 性能的影响． 摩擦学学报，2012，32( 6) : 570) ［5］ Li J，Zhou F，Wang X． Modify the friction between steel ball and PDMS disk under water lubrication by surface texturing． Meccani￾ca，2011，46( 3) : 499 ［6］ Zum Gahr K H，Wahl Ｒ，Wauthier K． Experimental study of the effect of microtexturing on oil lubricated ceramic / steel friction pairs． Wear，2009，267( 5-8) : 1241 ［7］ Hua X J，Liu M，Du Z H，et al． Property experiments of solid lu￾brication of laser texturing surface． J Jiangsu Univ Nat Sci Ed， 2014，35( 1) : 92 ( 华希俊，刘明，杜志华，等． 织构化表面固体润滑性能试验． 江苏大学学报: 自然科学版，2014，35( 1) : 92) ［8］ Brizmer V，Kligerman Y，Etsion I． A laser surface textured paral￾lel thrust bearing． Tribol Trans，2003，46( 3) : 397 ［9］ Shinkarenko A，Kligerman Y，Etsion I． The effect of surface tex￾turing in soft elasto-hydrodynamic lubrication． Tribol Int，2009，42 ( 2) : 284 ［10］ Grabon W，Koszela W，Pawlus P，et al． Improving tribological behaviour of piston ring-cylinder liner frictional pair by liner sur￾face texturing． Tribol Int，2013，61( 2) : 102 ［11］ Tan A H，Cheng S W． A novel textured design for hard disk tri￾bology improvement． Tribol Int，2006，39( 6) : 506 ［12］ Pfestorf M，Engel U，Geiger M． Three-dimensional characteriza￾tion of surfaces for sheet metal forming． Wear，1998，216 ( 2) : 244 ［13］ Mourier L，Mazuyer D，Ninove F P． Lubrication mechanisms with laser-surface-textured surfaces in elastohydrodynamic re￾gime． Proc Inst Mech Eng Part J，2010，224( 8) : 697 ［14］ Kovalchenko A，Ajayi O，Erdemir A，et al． Friction and wear behavior of laser textured surface under lubricated initial point contact． Wear，2011，271( 9-10) : 1719． ［15］ Wang W Z，Huang Z X，Shen D，et al． Effect of the patterned cylindrical dimple array on the tribological performance of lubri￾cated point-contacts． Tribology，2012，32( 4) : 371 ( 王文中，黄志祥，沈殿，等 圆柱形表面微坑阵列对点接触 润滑摩擦性能的影响． 摩擦学学报，2012，32( 4) : 371) ［16］ Wang Z G，Mo J L，Wang A Y，et al． Effect of grooved surface texture on interface friction vibration and noise properties． J Vib Shock，2013，32( 23) : 175 ( 王正国，莫继良，王安宇，等． 沟槽型表面织构对界面摩擦 振动噪声特性的影响． 振动与冲击，2013，32( 23) : 175) ［17］ Hua X J，Chen M Y，Fu Y H，et al． Hydrodynamic lubrication performance of textured surface under linear contact． Lubr Eng， 2013，38( 1) : 1 ( 华希俊，陈美云，符永宏，等． 线接触摩擦副织构化表面动 压润滑性能． 润滑与密封，2013，38( 1) : 1) · 1231 ·